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CICLO DE CARNOT
PRINCIPIOS DEL CICLO DE CARNOT La segunda ley de la termodinámica da lugar a limitaciones en la operación de los patrones cíclicos expresados por los teoremas de Kelvin-Plank y Clausius. Una maquina térmica de Carnot no puede operar por intercambio de calor con un simple servidor (fuente de calor), y un refrigerador no puede operar sin un trabajo neto recibido de una fuente externa. Se otorgan unas conclusiones de estos teoremas. Dos conclusiones parten para la eficiencia térmica de maquinas térmicas reversibles e irreversibles, y son conocidas como principios de Carnot. Están expresadas de la siguiente manera: 1. La eficiencia de una maquina térmica irreversible es siempre menor a la eficiencia una reversible, operando entre las dos mismas reservas. 2. Toda maquina térmica operando entre las mismas dos reservas tienen la misma eficiencia.
MAQUINA TERMICA DE CARNOT De este ciclo de Carnot surge el estudio de la llamada maquina térmica, que es un mecanismo o máquina que produce trabajo a partir del calor en un proceso cíclico. La maquina térmica de carnot, es la más eficiente que existe; la eficiencia térmica se define como el trabajo neto entregado dividido entre el calor absorbido. La maquina de carnot opera entre dos depósitos térmicos, en tal forma que todo el calor absorbido penetra a al temperatura constante de la fuente y todo el calor rechazado se descarga a la temperatura constante del sumidero. Cualquier maquina reversible que opera entre dos depósitos térmicos es una maquina de carnot; una maquina que funcione según un ciclo diferente, necesariamente debe transferir calor mediante diferencias finitas de temperatura y, por consiguiente, no es reversible.
TEOREMA DE CARNOT Y EFICIENCIA DEL CICLO Establece que ninguna maquina puede tener una eficiencia térmica superior a la de la maquina de carnot, cuando ambas operan entre los mismos depósitos térmicos. La hipotética maquina térmica que opera en el ciclo reversible de Carnot es llamada maquina térmica de Carnot. La eficiencia térmica de cualquier maquina térmica, reversible o irreversible, esta dada por la siguiente ecuación: h =1 - (QL/QH) donde: QH es el calor transferido para la maquina térmica de una reserva de temperatura alta como TH, y QL es el calor requerido para una reserva de baja temperatura como TL. (ec.A) Luego la eficiencia térmica de una maquina térmica o cualquier otra maquina térmica reversible, viene de (ec.B) Esta relación esta casi referida para la eficiencia de Carnot desde que la maquina térmica de Carnot es la mejor maquina reversible conocida. Note que la TL y TH en la ecuación B son temperaturas absolutas. Usando ºC ó Fº para temperaturas en la relación darán resultados erróneos. Las eficiencias térmicas del real y reversible maquina térmica operando entre los mismos limites de temperatura se comparan como sigue:
Las invenciones más productivas de trabajo (maquinas térmicas) en operación tienen eficiencias por abajo de 40 %. De cualquier forma, cuando el desempeño de una maquina térmica real esta determinado, la eficiencia no podría ser del 100%; por ello, podría ser comparada con la eficiencia de una maquina térmica reversible operando entre los mismos limites de temperatura -porque este es el verdadero limite teórico para la eficiencia, no el 100%. La máxima eficiencia de una planta de potencia de vapor operando entre TH = 750K y TL = 300K es 60%, determinada por la ecuación B. Comparado este valor, una eficiencia real de 40% no se ve tan mal, aun cuando halla un cambio valioso de lugar. Esto es obvio en la ecuación B que la eficiencia de la maquina térmica de Carnot incremente a medida que TH - incrementó, o que la TL- decreció. Esto será excepto cuando la TL decrezca, así que el importe de calor rechazado, y a medida que la TL tiende a cero, la eficiencia de Carnot tiende a la unidad. Esto es igualmente cierto para la maquina térmica real. |
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La eficiencia térmica de una maquina térmica real puede ser maximizada por suplemento de calor para la máquina a la más alta temperatura posible (limitada por resistencia del material) y el calor rechazado de la maquina en la más baja temperatura posible (limitada por la temperatura del medio frío, tal como ríos, lagos o la atmósfera). |
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Ejemplo: Una maquina térmica de Carnot, mostrada en la figura 1-1, recibe 500kj de calor por ciclo de una fuente de alta temperatura a 652°C y rechaza calor a un sumidero de muy baja temperatura a 30°C. (a) Determine la eficiencia térmica de esta maquina de Carnot y (b) la cantidad rechazado de calor por ciclo en sumidero.
hrev = 1 - TL / TH (b) La cantidad rechazada de calor QL para la eficiencia de esta maquina térmica es facilmente determinada por la ecuación A: QL rev = (TL / TH)(Qhrev) La transferencia de calor isotérmica reversible es muy difícil de lograr en la realidad ya que requiere intercambiadores de calor muy grandes, y tomaría un largo tiempo (un ciclo de potencia en un motor típico es completado en una fracción de segundos). Por ello, no es práctico construir un motor que opere con un ciclo de potencia que se aproxime al ciclo de Carnot.El motor real del ciclo de Carnot viene de donde es un estándar contra el cual el ciclo real u otros ciclos ideales pueden ser comparados. La eficiencia térmica del ciclo de Carnot es una función de la temperatura de la fuente y del sumidero de calor, y la relación de eficiencia térmica del ciclo de Carnot proporciona una importante información que es igualmente aplicable a ambos ciclos, ideales y reales: la eficiencia térmica aumenta cuando aumenta la temperatura promedio de la fuente de donde se absorbe calor , o bien cuando disminuye la temperatura promedio del sumidero. La fuente y el sumidero de las temperaturas que pueden ser usados en la practica no están sin limites. La temperatura mas alta en el ciclo es limitada por la temperatura que los componentes de un motor de calor, tales como el pistón o las cuchillas de una turbina puedan tolerar; la temperatura mas baja en el ciclo esta limitada por la temperatura de un lago, un río o el aire atmosférico.
DIAGRAMA PV Y DIAGRAMA TS PARA EL CICLO DE CARNOT.
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